基于随机波浪载荷的平台结构疲劳分析

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1、设计分析计算篇基于随机波浪载荷的平台结构疲劳分析付方肖花杨帆徐燕青(海洋石油工程股份有限公司建造公司天津300452)摘要：将海洋平台看作空间钢架结构，应用ANSYs软件对平台进行有限元建模；考虑随机波浪作用并对导管架平台进行PSD动力学分析，得到结构的动力响应参数；应用基于线性累积损伤理论的疲劳分析方法对导管架平台管节点进行疲劳分析和寿命估计，概括了导管架谱疲劳计算的设计流程；本研究建立的方法具有实用性．关键词：导管架平台PSD分析谱疲劳分析1．引言处于环境中的海洋平台结构长期承受随机波浪荷载的作用，

2、结构在这种交变荷载作用下，不可避免的发生疲劳；在海洋平台结构疲劳分析中，造成海洋结构疲劳破坏的主要形式是波浪载荷引起的结构动应力。大量的工程实践表明：管结点是导管架平台结构关键的部位，也是疲劳分析中最薄弱的环节，海洋平台的失事多半是由于管结点脆性断裂或疲劳破坏所致。疲劳分析的目的是要证明：所考虑的结构设计在结构使用寿命期间不会出现疲劳顺断；尽可能精确地估算每个节点的疲劳寿命(或累积损伤率)；评价节点相对重要性以及可能出现的疲劳破坏形式。目前，平台安装水深越来越大，海况越来越恶劣，管结点疲劳问题显得越来越

3、突出，国内外开展了诸多关于海洋平台管结点疲劳强度的研究，以期得到一个合理而可靠的确定管结点疲劳强度和估算疲劳寿命的方法。节点的疲劳寿命主要取决于交变应力作用下形成的塑性区塑性应变的大小，当热点塑性应变大于弹性应变时，疲劳寿命低，通常称为低周疲劳或应变疲劳。当热点应力小，塑性应变小于弹性应变时，疲劳寿命较高，通常称为高周疲劳或应力疲劳。海上管节点最常出现的是低周疲劳破坏。工程中常用的主要有两种方法，即基于线性累积损伤理论的疲劳分析方法和基于断裂力学理论的疲劳分析方法u~9】。但由于导管架平台设计中存在许多

4、不确定因素，因此管结点的疲劳分析现在尚无很成熟的方法。本文以实际的cII海洋平台为研究对象，应用有限元软件ANSYS对平台进行有限元建模，环境载荷主要考虑随机波浪载荷，从能量的角度对结构进行随机振动动力学分析得到平台的响应参数，在此基础上应用谱分析方法对平台管结点进行疲劳分析并估算结构的寿命。2．谱疲劳分析谱疲劳分析是一种考虑波浪随机特性，并用统计方法描述海况的方法。该法在频域内进行动力方程的求解，环境波浪模型用若干海况描述，假定各海况在短时间内是各态历经窄带平稳的正态过程。根据应力循环是波浪循环转换的

5、观点，假定构件的应力分布为窄带正态过程，其峰值为Rayleigh分布P(o-)：aexp(一二)(1)mo。A／fro式中：P(a)为应力峰值概率密度，m。为应力谱零阶矩，o为变幅应力。由上式可看出，只要给出变幅应力谱，则对应的变幅应力o；的概率密度即可求出。因而在一年中，第j个海况的变幅应力Ao；的’2008全国钢结构学术年会论文集[2008·10]付力，等：基于随机波浪栽荷的平台结构疲劳分析循环次数nji可写为：力声=幽坠掣P(△吼)力一=———1-三一，怆吼J(2)式中：P为一年中某一海况出现的百

6、分比值，T。为应力有效循环周期，由应力谱谱矩确定，z以叫薏，P(△o．)为变幅应力的累积概率。因此，可按一定差额将应力谱曲线下面积分为一系列离散值、Ao，、△O2、⋯⋯△o。，分别计算离散值的应力循环次数，综合各个海况，建立累计应力历程曲线，从而可以得到总的应力循环累加次数，采用Miner线性累积损伤理论估算疲劳损伤q=喜喜揣㈤式中：j、i为下标，分别表示第J个海况和第j海况第i个应力幅。则结点的总寿命T，年为(4)3．1平台结构分析模型本文研究的CII平台位于渤海湾南部、莱州湾西北部的浅海海域，离岸约

7、lOkm，水深11．2m。该平台为直立式桩腿导管架结构，包括一个导管架、四根桩腿和两层甲板结构，四根桩呈梯形分布，纵向间距14．6m，横向最大间距为15m，最小间距为8．3m。其中四根桩腿的外径为1400mm，插入海底58．8m处，导管架的四腿内径为1676mm。桩腿与导管架间分别在标高一11．2m、-4m、+4m处设置有径向导向块u叫。平台的有限元模型是根据cII平台的设计单位提供的原始资料建立的。根据设计院提供的CIIqZ台周围水域情况调查报告数据，考虑平台桩腿周围有3m的淘深。根据设计计算规范，将

8、平台按泥面以下7倍桩径处固定，即有限元模型中固定点在平台一21m处，如图1所示。：≮墨孥≥遗—Z蕊荔／N，／，7lm——■■_-一雨／‘、-’i‘a．Om●_f一_．．2-冢=二．．：h一_●、＼X。、、l3、。吣·111m／，×￥图1cⅡ平台有限元模型2海况15。图2波浪力作用方向CII平台是1997年建成并投产的，1998年12月对平台的实际检测结果尚未发现明显裂纹存在，因此本文采用损伤累积理论估算平台疲劳寿命，其方法适用于类似CII平